C++深入探究二阶构造模式的原理与使用

一、构造函数的回顾

关于构造函数

类的构造函数用于对象的初始化
构造函数与类同名并且没有返回值
构造函数在对象定义时自动被调用

问题

如何判断构造函数的执行结果?
在构造函数中执行 return 语句会发生什么？
构造函数执行结束是否意味着对象构造成功？

下面看一个异常的构造函数：

#include <stdio.h>
class Test
{
    int mi;
    int mj;
    bool mStatus;
public:
    Test(int i, int j) : mStatus(false)
    {
        mi = i;
        return;
        mj = j;
        mStatus = true;
    }
    int getI()
    {
        return mi;
    }
    int getJ()
    {
        return mj;
    }
    int status()
    {
        return mStatus;
    }
};
int main()
{  
    Test t1(1, 2);
    if( t1.status() )
    {
        printf("t1.mi = %d\n", t1.getI());
        printf("t1.mj = %d\n", t1.getJ());
    }
    return 0;
}

运行结果如下，可以看到，没有输出，遇到 return 构造函数就结束了：

构造函数

只提供自动初始化成员变量的机会
不能保证初始化逻辑一定成功
执行 return 语句后构造函数立即结束

结论：构造函数能决定的只是对象的初始状态，而不是对象的诞生！！

二、半成品对象

半成品对象的概念

初始化操作不能按照预期完成而得到的对象
半成品对象是合法的 C++ 对象，也是 Bug 的重要来源

下面来看一个半成品对象的危害：

IntArray.h：

#ifndef _INTARRAY_H_
#define _INTARRAY_H_
class IntArray
{
private:
    int m_length;
    int* m_pointer;
public:
    IntArray(int len);
    IntArray(const IntArray& obj);
    int length();
    bool get(int index, int& value);
    bool set(int index ,int value);
    ~IntArray();
};
#endif

IntArray.c：

（注意：m_pointer = 0; //假设 m_pointer 为空指针，用来模拟申请内存失败的情况）

#include "IntArray.h"
IntArray::IntArray(int len)
{
    m_pointer = 0;  //假设 m_pointer 为空指针，用来模拟申请内存失败的情况    
    if( m_pointer )
    {
        for(int i=0; i<len; i++)
        {
            m_pointer[i] = 0;
        }   
    } 
    m_length = len;
}
IntArray::IntArray(const IntArray& obj)
{
    m_length = obj.m_length; 
    m_pointer = new int[obj.m_length];   
    for(int i=0; i<obj.m_length; i++)
    {
        m_pointer[i] = obj.m_pointer[i];
    }
}
int IntArray::length()
{
    return m_length;
}
bool IntArray::get(int index, int& value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < length());   
    if( ret )
    {
        value = m_pointer[index];
    }  
    return ret;
}
bool IntArray::set(int index, int value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < length());
    if( ret )
    {
        m_pointer[index] = value;
    }
    return ret;
}
IntArray::~IntArray()
{
    delete[]m_pointer;
}

main.cpp：

#include <stdio.h>
#include "IntArray.h"
int main()
{
    IntArray a(5);     
    printf("a.length = %d\n", a.length());    
    a.set(0, 1);  
    return 0;
}

输出结果如下：

产生段错误是因为前面令m_pointer = 0; 模拟内存申请不成功。但是在实际工程中，不是每次申请内存都不成功，所以很难重现，堪称最难调试的 bug。

三、二阶构造

工程开发中的构造过程可分为

资源无关的初始化操作
不可能出现异常情况的操作

需要使用系统资源的操作

可能出现异常情况，如：内存申请，访问文件

二阶构造示例一

二阶构造示例二

下面初探一下二阶构造函数：

#include <stdio.h>
class TwoPhaseCons 
{
private:
    TwoPhaseCons() // 第一阶段构造函数
    {   
    }
    bool construct() // 第二阶段构造函数
    { 
        return true; 
    }
public:
    static TwoPhaseCons* NewInstance(); // 对象创建函数
};
TwoPhaseCons* TwoPhaseCons::NewInstance() 
{
    TwoPhaseCons* ret = new TwoPhaseCons();
    // 若第二阶段构造失败，返回 NULL    
    if( !(ret && ret->construct()) ) 
    {
        delete ret;
        ret = NULL;
    }
    return ret;
}
int main()
{
    TwoPhaseCons* obj = TwoPhaseCons::NewInstance();
    printf("obj = %p\n", obj);
    delete obj;
    return 0;
}

运行结果如下，指针的值被打印出来，意味着可以得到一个合法可用的对象，这个对象位于堆空间上：

如果我们就不想用二阶构造，自己申请堆空间，如下：

TwoPhaseCons* obj = new NewInstance();

就会报错，因为构造函数是私有的：

如果第二阶段的构造不成功：

    bool construct() // 第二阶段构造函数
    { 
        return false; 
    }

输出结果如下，打印结果为空：

所以二阶构造的意义就是要么得到一个合法可用的对象，要么返回空。二阶构造用于杜绝半成品对象。

所以前面写的可能产生半成品对象的代码可以写成：

IntArray.h：

#ifndef _INTARRAY_H_
#define _INTARRAY_H_
class IntArray
{
private:
    int m_length;
    int* m_pointer;
    IntArray(int len);
    IntArray(const IntArray& obj);
    bool construct();
public:
    static IntArray* NewInstance(int length); 
    int length();
    bool get(int index, int& value);
    bool set(int index ,int value);
    ~IntArray();
};
#endif

IntArray.c：

#include "IntArray.h"
IntArray::IntArray(int len)
{
    m_length = len;
}
bool IntArray::construct()
{
    bool ret = true;
    m_pointer = new int[m_length];
    if( m_pointer )
    {
        for(int i=0; i<m_length; i++)
        {
            m_pointer[i] = 0;
        }
    }
    else
    {
        ret = false;
    }
    return ret;
}
IntArray* IntArray::NewInstance(int length) 
{
    IntArray* ret = new IntArray(length);
    if( !(ret && ret->construct()) ) 
    {
        delete ret;
        ret = 0;
    }
    return ret;
}
int IntArray::length()
{
    return m_length;
}
bool IntArray::get(int index, int& value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < length());
    if( ret )
    {
        value = m_pointer[index];
    }
    return ret;
}
bool IntArray::set(int index, int value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < length());
    if( ret )
    {
        m_pointer[index] = value;
    }
    return ret;
}
IntArray::~IntArray()
{
    delete[]m_pointer;
}

main.c：

#include <stdio.h>
#include "IntArray.h"
int main()
{
    IntArray* a = IntArray::NewInstance(5);    
    printf("a.length = %d\n", a->length());
    a->set(0, 1);
    for(int i=0; i<a->length(); i++)
    {
        int v = 0;
        a->get(i, v);
        printf("a[%d] = %d\n", i, v);
    }
    delete a;
    return 0;
}

输出结果如下：

工程里面对象往往是巨大的，因此不适合放在栈空间，而适合放在堆空间里面，所以二阶构造模式对于工程开发非常有用。

四、小结

构造函数只能决定对象的初始化状态
构造函数中初始化操作的失败不影响对象的诞生
初始化不完全的半成品对象是 Bug 的重要来源
二阶构造人为的将初始化过程分为两部分
二阶构造能够确保创建的对象都是完整初始化的

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目录

一、构造函数的回顾

二、半成品对象

三、二阶构造

四、小结

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